Biochemick cykly prvk Velk cykly prvk jako zobecnn
Biochemické cykly prvků Velké cykly prvků jako zobecnění přeměn látek při popisu jejich koloběhu Země jako superorganismus či bioreaktor Vlastnosti bioreaktoru Země
Biochemické cykly prvků • Energetická a látková bilance – Uzavřený systém – Výměna energie • Celkově ze Slunce – – – 173 100 TW 100% Albedo Absorpce v atmosféře Absorpce zemským povrchem Přeměna do chemické formy 40 TW Příspěvek geotermální energie 32 TW Vyzáření prostřednictvím atmosféry 32% 18% 50% 0, 02% 68%
Cyklus uhlíku • Anorganické formy – CO 2, uhličitany, uhlí – obsaženy v atmo-, hydro- i litosféře • Organické formy – biomolekuly, ropa, CH 4 – obsaženy v biosféře i ostatních prostředích • Přechody (geo)chemické a fysikální • Přechody biochemické
Cyklus uhlíku • Biochemické přeměny (zahrnují i cykly kyslíku a vodíku) • Primární asimilační pochody – fixace CO 2 – asimilace do organických sloučenin • Další přeměny – bílkoviny, lipidy, nukleové kyseliny • Disimilační pochody – dekomposice organických sloučenin
Cyklus uhlíku • Asimilace – fixace CO 2 (zejména fotosyntéza) cesta z anorganické do organické formy • 6 CO 2 + 6 H 2 O = C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 + 672 k. J/mol • Primární význam fixace CO 2 pro rovnováhu parametrů na Zemi • Vývojové aspekty, vznik kyslíkaté atmosféry • Energetický význam – přímý (relativně malý vzhledem k celkovému toku) – nepřímý ovlivněním tepelné propustnosti atmosféry
Cyklus uhlíku • Typické znaky fixace CO 2 – složitý proces zahrnující řadu dílčích kroků, vlastní fixace pomocí enzymu RUBISCO, nejvíce syntezovaným enzymem na Zemi – limitována nedostatkem CO 2, při nadbytku světla je využívána specifická energeticky náročná přípravná cesta
Cyklus uhlíku • Disimilační pochody – potravní řetězce a pyramidy – dekomposice pro získání energie – zejména oxidační pochody – kvantitativně převažují – dekomposice přijatých látek a syntéza vlastních – kvantitativně zaostávají, intensita závisí na typu a metabolickém (fysiologickém) stavu organismu
Cyklus uhlíku • Vyrovnaná bilance asimilačních a disimilačních pochodů – stacionární stav • Porušení rovnováhy následkem nevyrovnané bilance – převaha fixace uhlíku – tvorba deposit – převaha dekomposice – mobilisace deposit
Cyklus uhlíku • Vznik deposit cestou – asimilace a anaerobní dekomposice organických sloučenin do stabilní formy – ropa, uhlí, metan • vznik ložisek fosilních paliv – biogenní anorganické fixace CO 2 • vznik vápencových ložisek • Snížení množství uhlíku v koloběhu (množství CO 2 v atmosféře)
Cyklus uhlíku • Mobilisace deposit – Přirozenou cestou málo pravděpodobné – Významné množství se přivádí zpět do koloběhu industriální činností člověka • Těžba a využívání fosilních paliv - oxidační pochody a zisk energie • Těžba a využívání vápencových deposit • Zvýšení množství uhlíku v koloběhu (množství CO 2 v atmosféře)
Cyklus uhlíku
Cyklus uhlíku
Cyklus uhlíku • Problémy – snížení tepelné vodivosti atmosféry – zvýšení teploty (skleníkový efekt) – vyčerpání deposit – zdrojů energie a vápenců • Řešení – Samočinná kompensace (funguje u vápenců, možnost zvýšení intensity fotosyntézy) – Aktivní příspěvek ze strany člověka (snižování produkce CO 2, nová energetická politika, genetické manipulace)
Cyklus dusíku • Anorganické formy – N 2 v atmosféře, NH 4+ a dusičnany v hydro- a litosféře (i biosféře) • Organické formy – Aminosloučeniny (typicky bílkoviny), zejména v biosféře • Přechody abiogenní • Přechody biogenní
Cyklus dusíku • Abiogenní přeměny dusíkatých látek – Přirozené • Oxidace N 2 elektrickými výboji v atmosféře – N 2 + n O 2 = Nx. Oy - význam spíše v evoluci – Industriální • Katalytická redukce N 2 – N 2 + 3 H 2 = 2 NH 3 + 91, 2 k. J/mol – (Fe, 500 o. C, 30 MPa) – 1% celosvětové produkce energie • Tvorba Nx. O jako vedlejších produktů spalovacích procesů (automobilové motory)
Cyklus dusíku • Biogenní přechody primární asimilace – Fixace N 2, produkce NH 4+ – Nitrogenázovým systémem katalysovaný pochod, nízkoteplotní analogie průmyslové výroby – Vlastní omezenému okruhu mikroorganismů • Další asimilační pochody – Vznik aminokyselin a další cesty dusíku v organických molekulách
Cyklus dusíku • Další biogenní procesy – Disimilační • dekomposice dusíkatých biomolekul – produkce NH 4+ • Oxidace NH 4+ na NO 3 - (nitrifikace) – zisk energie • Redukce NO 3 - až na N 2 (nitrátová respirace) – zisk energie – Asimilační • Redukce NO 3 - na NH 4+ (denitrifikace – na rozdíl od nitrogenázové dráhy vlastní více organismům i rostlinám) následovaná jeho inkorporací do organických sloučenin – Cyklus přeměn uzavřen produkcí N 2 (nitrátová respirace)
Cyklus dusíku
Cyklus dusíku
Cyklus dusíku • Problémy – Produkce NH 4 biogenní a industriální – Produkce Nx. O • Řešení – Konverse toxických produktů na inertní N 2 – Inovace technologií a snížení jejich produkce
Cyklus síry • Formy a výskyt síry – Anorganické – volná, sulfáty a sulfidy • Především v litosféře (elementární, nerozpustné sulfidy a sulfáty), též hydrosféra a biosféra • Ekologicky významné anorganické formy biogenního původu ve fosilních palivech – Organické – sulfo- a merkaptosloučeniny • Biosféra (bílkoviny, polysacharidy)
Cyklus síry • Přeměny sloučenin síry – Abiogenní • spontánní (sopečná činnost) • industriální (oxidace síry při spalování fosilních paliv, výroba H 2 SO 4 a další) – Biogenní přeměny • Katabolické – disimilační • Anabolické - asimilační
Cyklus síry anaerobní S 2 - S 0 S 2 O 32 - Hlavní depositní formy Biosféra SO 32 - SO 42 -
Cyklus síry • Problémy – Aktivace depositních forem industriální činností – Biogenní produkce kyselých vod jako nepřímý důsledek industriální činnosti • Řešení – Technologické způsoby nápravy (odsiřování) – Biotechnologická opatření prevence
Cyklus fosforu • Formy a výskyt – Anorganické sloučeniny – fosfáty, polyfosfáty • Litosféra a hydrosféra i biosféra (kosti) – Organické sloučeniny – fosforečné estery a další biomolekuly • Biosféra (nukleové kyseliny) • Vzájemné přeměny – Jednoduché – vratné pochody, malá pestrost
Cyklus fosforu • Porušení rovnovážného stavu – Hromadění reserv a jejich uvolňování • Depositní a cyklující formy – Nerozpustné fosfáty v litosféře – ložiska apatitu – Rozpustné fosfáty produkované industriální činností člověka
Cyklus fosforu • Problémy – Významný pro růst, eutrofisace vod • Řešení – Omezení aplikace fosfátů a jejich úniku do vod – Odstraňování z odpadních vod
Cykly kovů • Forma a výskyt – Anorganické, elementární, sloučeniny (i amfotery) • Přirozeného původu • Umělé vyrobené – Organické, organokovové sloučeniny • Většinou přirozené – Lito- a hydrosféra, biosféra
Cykly kovů • Přeměny, jejich zvláštnosti – Jednoduché chemické reakce, změna vlastností • Oxidoredukční pochody • Soli (většinou jako kationty) • Změna rozpustnosti event. toxicity – deposita, usazeniny – Asimilace a disimilace (biogenní kovy) • Forma kovů v biomase • Konverse omezená, v podstatě se nemění
Cykly kovů • Problémy – Toxicita, těžké kovy (Hg, Cd, Pb) – Salinita • Řešení – Vhodné výrobní technologie – Promyšlené nakládání s odpady, bioremediace
Biochemické cykly prvků • Závěr – Současný stav je následkem dosavadního vývoje – Jsme adaptováni na dané podmínky – Výrazné odchylky mohou být fatální – Nutnost prognózy založené na poznání – Problém je komplexní, vyčerpání deposit může být závažnější než produkce odpadů
Děkuji Vám za pozornost
- Slides: 32